[論文レビュー] Kremer-Grest models for universal properties of specific common polymer species

Carsten Svaneborg, Hossein Ali Karimi‐Varzaneh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Rheology and Fluid Dynamics Studies参考文献 6被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、Kremer-Grestのビーズスプリングモデルを、キューブン長統計と一致するように鎖の剛性を調整することにより、特定の高分子種の普遍的性質を正確に表現するように適応させた。鎖あたりのキューブンセグメント数および立方キューブン体積あたりのキューブンセグメント数をキャリブレーションすることで、十分に平衡化され、エンタングルメントを有する溶融状態において、実験的エンタングルメントモジュラスと良好な一致を示す。これにより、時間的および物理的単位へのマッピングが信頼性を持って可能となる。

ABSTRACT

The Kremer-Grest (KG) bead-spring model is a near standard in Molecular Dynamic simulations of generic polymer properties. It owes its popularity to its computational efficiency, rather than its ability to represent specific polymer species and conditions. Here we investigate how to adapt the model to match the universal properties of a wide range of chemical polymers species. For this purpose we vary a single parameter originally introduced by Faller and Müller-Plathe, the chain stiffness. Examples include polystyrene, polyethylene, polypropylene, cis-polyisoprene, polydimethylsiloxane, polyethyleneoxide and styrene-butadiene rubber. We do this by matching the number of Kuhn segments per chain and the number of Kuhn segments per cubic Kuhn volume for the polymer species and for the Kremer-Grest model. We also derive mapping relations for converting KG model units back to physical units, in particular we obtain the entanglement time for the KG model as function of stiffness allowing for a time mapping. To test these relations, we generate large equilibrated well entangled polymer melts, and measure the entanglement moduli using a static primitive-path analysis of the entangled melt structure as well as by simulations of step-strain deformation of the model melts. The obtained moduli for our model polymer melts are in good agreement with the experimentally expected moduli.

研究の動機と目的

• Kremer-Grestモデルの適用範囲を一般の高分子挙動にとどまらず、具体的で一般的な高分子種にまで拡張すること。
• 標準的なKGモデルが実際の高分子物理学を表現できないという制限を克服するため、可変な鎖の剛性パラメータを導入すること。
• 実際の高分子種（ポリスチレン、ポリエチレン、ポリジメチルシロキーン）のキューブンセグメント統計と一致するようにモデルをキャリブレーションすること。
• KGモデルの単位と物理的単位との間のマッピング関係、特にエンタングルメント時間に関して導出すること。
• 静的および動的シミュレーション手法を用いて、キャリブレーション済みモデルを実験的エンタングルメントモジュラスと照合すること。

提案手法

• FallerとMüller-Platheが当初導入した単一の剛性パラメータを変化させ、KGモデルにおける鎖の剛性を調整すること。
• KGモデルと実際の高分子種との間で、鎖あたりおよび立方キューブン体積あたりのキューブンセグメント数を一致させること。
• 十分に平衡化され、エンタングルメントを有する高分子溶融状態の大型分子動力学シミュレーションを実施すること。
• 静的プリミティブパス解析を適用し、溶融状態の構造からエンタングルメント構造を抽出すること。
• ステップストレイン変形をシミュレートして、動的エンタングルメントモジュラスを測定すること。
• KGモデルの剛性パラメータとエンタングルメント時間との間の関数的関係を導出し、時間単位へのマッピングを可能にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kremer-Grestモデルを、特定の実際の高分子種の普遍的構造的および機械的性質を再現できるように体系的に調整可能か？
• RQ2 KGモデルにおける鎖の剛性を調整することで、実験的エンタングルメントモジュラスとの一致度にどのような影響を与えるか？
• RQ3 特にエンタングルメント時間に関して、KGモデルの単位を物理的単位に変換するためのマッピング関係は何か？
• RQ4 キャリブレーション済みモデルにおいて、静的プリミティブパス解析と動的ステップストレインシミュレーションの両方が一貫したエンタングルメントモジュラスをもたらす程度はどの程度か？
• RQ5 キャリブレーション済みKGモデルは、ポリスチレン、ポリエチレン、およびポリジメチルシロキーンを含む多様な高分子を正確に再現できるか？

主な発見

• キャリブレーション済みKGモデルは、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリジメチルシロキーンを含む複数の高分子種において、実験的に期待されるエンタングルメントモジュラスと優れた一致を示した。
• 鎖あたりおよび立方キューブン体積あたりのキューブンセグメント統計を一致させることで、普遍的高分子性質の正確な表現が保証された。
• 導出されたマッピング関係により、剛性の関数としてKGモデルの時間単位を物理的エンタングルメント時間に変換できるようになった。
• 静的プリミティブパス解析と動的ステップストレインシミュレーションの両方が一貫したエンタングルメントモジュラスをもたらし、モデルの信頼性が検証された。
• モデルは、最小限のパrameter調整で、十分にエンタングルメントを有する高分子溶融状態の機械的応答を効果的に捉えた。